भौतिकी 1: यांत्रिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 16 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

शुद्ध गतिकी

वेग: v = v₀ + a·t
विस्थापन: s = v₀·t + ½·a·t²
समय के बिना: v² = v₀² + 2·a·s
इकाइयाँ: 1 m/s = 3.6 km/h

विधि

जो ज्ञात है उसे सूचीबद्ध करें: v₀, v, a, t और s, इकाइयों सहित।
वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और अज्ञात हो।
एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत राशियों को ऋण चिह्न दें।
हल करें और जाँचें कि उत्तर भौतिक रूप से उचित है।

न्यूटन के नियम

द्वितीय नियम: ΣF = m·a
भार: W = m·g
गतिज घर्षण: F_f = μ·N
ढलान पर: ढलान के अनुदिश: m·g·sin θ, अभिलंब: m·g·cos θ

विधि

पिंड पर हर बल के साथ मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ।
गति के अनुदिश एक धनात्मक दिशा चुनें।
बलों को गति के अनुदिश और उसके लंबवत घटकों में विभाजित करें (ढलान पर: अनुदिश m·g·sin θ, ढलान में m·g·cos θ)।
गति के अनुदिश ΣF = m·a लगाएँ; घर्षण गति के विरुद्ध μ·N है।

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।

वृत्तीय गति

अभिकेंद्र त्वरण: a = v²/r = ω²·r
अभिकेंद्र बल: F = m·v²/r
कोणीय चाल: ω = v/r = 2π/T
समतल मोड़, घर्षण: v_max = √(μ·g·r)

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

संवेग और टक्करें

संवेग: p = m·v
संरक्षण: Σm·v (before) = Σm·v (after)
पूर्णतः अप्रत्यास्थ: v′ = (m₁v₁ + m₂v₂)/(m₁ + m₂)
आवेग: J = F·Δt = m·Δv

विधि

एक धनात्मक दिशा चुनें और हर वेग को उसका चिह्न दें।
पहले का कुल संवेग लिखें: Σm·v।
पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड बाद में साथ चलते हैं; प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है।
पहले के संवेग को बाद के संवेग के बराबर रखें और हल करें।

स्प्रिंग और लोलक

स्प्रिंग पर द्रव्यमान: T = 2π·√(m/k)
लोलक: T = 2π·√(L/g)
कोणीय आवृत्ति: ω = √(k/m) = 2π/T
अधिकतम चाल और त्वरण: v_max = A·ω, a_max = A·ω²
ऊर्जा: E = ½·k·A²

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

तरंग चाल: v = fλ, T = 1/f
डोरी: v = √(T/μ), μ = m/L
ध्वनि स्तर: β = 10·log₁₀(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
बिंदु स्रोत: I = P/(4πr²)
अप्रगामी तरंगें: डोरी या खुली नली f_n = n·v/(2L); बंद नली f_n = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
अपवर्तनांक: n = c/v, λ = λ₀/n
स्नेल का नियम: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
क्रांतिक कोण: sin θ_c = n₂/n₁
प्रकाशिक तंतु: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
लेंस और दर्पण: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
द्वि-झिरी: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
झरझरी: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
एकल झिरी: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

विधि

प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।

2अभ्यास प्रश्न

1.शुद्ध गतिकीमध्यम

108 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 3 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेक लगाने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 108 km/ha = −3 m/s²v = 0

t = s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

एक ट्राम विराम से शुरू होकर 7 s तक 2 m/s² से त्वरित होती है, फिर 20 s तक स्थिर चाल से चलती है, और अंत में रुकने तक 2.5 m/s² से ब्रेक लगाती है। दोनों स्टॉपों के बीच कुल दूरी s ज्ञात कीजिए।

a₁ = 2 m/s²t₁ = 7 st₂ = 20 sa₃ = −2.5 m/s²

s = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

एक 40 kg डिब्बे को ढलान के समांतर बल से क्षैतिज से 15° पर झुके रैंप पर स्थिर चाल से ऊपर धकेला जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.4 है। g = 9.81 m/s² लें। धकेलने वाला बल F ज्ञात कीजिए।

m = 40 kgθ = 15°μ = 0.4g = 9.81 m/s²

F = N

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 4.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 0.5 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। मेज़ घर्षणरहित है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 4.5 kgm₂ = 0.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 30 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 30 m दूर गिरना है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। दो संभव प्रक्षेपण कोणों में से छोटा θ ज्ञात कीजिए।

v₀ = 30 m/sR = 30 mg = 9.81 m/s²

θ = °

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 50 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 15 m/s से क्षैतिज से 65° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। चट्टान के आधार पर ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई H ज्ञात कीजिए।

v₀ = 15 m/sθ = 65°h = 50 mg = 9.81 m/s²

H = m

7.वृत्तीय गतिमध्यम

एक 1000 kg कार 8 m/s से सड़क के एक उभार के शीर्ष पर से गुज़रती है। उभार का शीर्ष 25 m त्रिज्या का वृत्तीय चाप है। g = 9.81 m/s² लें। शीर्ष पर सड़क द्वारा कार पर अभिलंब बल N ज्ञात कीजिए।

m = 1000 kgv = 8 m/sr = 25 mg = 9.81 m/s²

N = N

8.वृत्तीय गतिकठिन

1.1 m लंबी डोरी से बँधी 1.9 kg की एक गेंद ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाई जाती है। निम्नतम बिंदु पर वह 8 m/s से चलती है। g = 9.81 m/s² लें। निम्नतम बिंदु पर डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m = 1.9 kgr = 1.1 mv = 8 m/sg = 9.81 m/s²

T = N

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

समतल सड़क पर 70 km/h से चल रही एक कार ज़ोर से ब्रेक लगाती है और पहिए जाम होकर फिसलते हुए रुक जाती है। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.8 है। रुकने की दूरी d ज्ञात कीजिए।

v = 70 km/hμ = 0.8g = 9.81 m/s²

d = m

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

30° ढलान के तल पर 1000 N/m कठोरता वाले एक स्प्रिंग को एक 1 kg गुटके के विरुद्ध 12 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। गुटके और ढलान के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। रुकने से पहले गुटका छोड़ने के बिंदु से ढलान पर कितनी दूर d ऊपर जाता है? (स्प्रिंग के धकेलने वाली छोटी दूरी को नगण्य मानें, अर्थात घर्षण और गुरुत्व को पूरी दूरी d पर लें।)

m = 1 kgk = 1000 N/mx = 12 cmθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²

d = m

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

6 m/s से चल रहा 1.5 kg का एक ग्लाइडर घर्षणरहित पटरी पर विरामावस्था में रखे 2.5 kg के ग्लाइडर से पूर्णतः प्रत्यास्थ आमने-सामने टक्कर करता है। टक्कर के बाद दूसरे ग्लाइडर का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1.5 kgm₂ = 2.5 kgv₁ = 6 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

12.संवेग और टक्करेंकठिन

0.5 kg की एक गेंद 26 m/s से दीवार से टकराती है और 13 m/s से सीधे वापस लौटती है। संपर्क 25 ms तक रहता है। दीवार द्वारा गेंद पर लगाया गया औसत बल F_avg ज्ञात कीजिए।

m = 0.5 kgv_in = 26 m/sv_out = 13 m/sΔt = 25 ms

F_avg = N

13.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

2.9 s आवर्तकाल पाने के लिए सरल लोलक कितना लंबा होना चाहिए? g = 9.81 m/s² लें। L ज्ञात कीजिए।

T = 2.9 sg = 9.81 m/s²

L = m

14.स्प्रिंग और लोलककठिन

k = 430 N/m वाले स्प्रिंग पर 4 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 12 cm खींचकर छोड़ा जाता है। उसका अधिकतम त्वरण a_max ज्ञात कीजिए।

m = 4 kgk = 430 N/mA = 12 cm

a_max = m/s²

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

एक मशीन किसी बिंदु पर 65 dB का ध्वनि स्तर देती है। जब 4 एक जैसी मशीनें एक साथ चलें (असंबद्ध स्रोत), तब उस बिंदु पर स्तर β ज्ञात करें।

β₁ = 65 dBn = 4

β = dB

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

प्रति मिलीमीटर 500 रेखाओं वाली झरझरी किसी वर्णक्रम रेखा का कोटि-2 उच्चिष्ठ सीधी दिशा से 26.7° पर दिखाती है। रेखा की तरंगदैर्ध्य λ ज्ञात करें।

N = 500 mm⁻¹θ₂ = 26.7°m = 2

λ = nm

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 10 s

नियत त्वरण वाली गति: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² और v² = v₀² + 2·a·s। वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और एक वांछित राशि हो, और एक धनात्मक दिशा के अनुसार चिह्न एकसमान रखें।

इकाइयाँ

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

ब्रेकिंग समय

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/3 = 10 s

उत्तर

t = 10 s

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: s = 368.2 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

अधिकतम चाल

v = a₁·t₁ = 2·7 = 14 m/s

हर चरण की दूरी

s₁ = ½·2·7² = 49 m

s₂ = 14·20 = 280 m

s₃ = 14²/(2·2.5) = 39.2 m

कुल दूरी

s = 49 + 280 + 39.2 = 368.2 m

उत्तर

s = 368.2 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: F = 253.2 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

ढलान के अनुदिश बल

स्थिर चाल: बल संतुलित हैं।

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

धकेलने वाला बल

F = 101.6 + 151.6 = 253.2 N

उत्तर

F = 253.2 N

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 4.415 N

न्यूटन का द्वितीय नियम: किसी पिंड पर नेट बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है, ΣF = m·a। एक मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ, गति की दिशा में एक धनात्मक दिशा चुनें, और उस दिशा में सभी बल जोड़ें: लगाए गए बल, गति के विरुद्ध घर्षण μ·N, और गुरुत्व के घटक।

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (4.905 − 0)/5 = 0.981 m/s²

मेज़ पर रखे गुटके से तनाव

T − μ·m₁·g = m₁·a

T = 4.5·0.981 + 0 = 4.415 N

उत्तर

T = 4.415 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 9.543 °

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

परास सूत्र

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·30/30² = 0.327

कोण

2θ = 19.09° → θ = 9.543°

उत्तर

θ = 9.543°

दूसरा हल 90° − θ = 80.46° है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 59.42 m

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण चाल

v_y = 15·sin 65° = 13.59 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = v_y²/(2g) = 13.59²/(2·9.81) = 9.42 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 50 + 9.42 = 59.42 m

उत्तर

H = 59.42 m

7.वृत्तीय गति

उत्तर: N = 7250 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

शीर्ष पर बल

केंद्र की ओर (नीचे) धनात्मक है।

m·g − N = m·v²/r

N = 1000·9.81 − 1000·8²/25 = 9810 − 2560 = 7250 N

उत्तर

N = 7250 N

कार हल्की महसूस होती है: सड़क उसके भार से कम ऊपर धकेलती है।

8.वृत्तीय गति

उत्तर: T = 129.2 N

एकसमान वृत्तीय गति: r त्रिज्या के वृत्त पर v चाल से चलती वस्तु केंद्र की ओर a = v²/r से त्वरित होती है, इसलिए उसे भीतर की ओर नेट बल F = m·v²/r चाहिए। यह बल किसी वास्तविक स्रोत से आता है: घर्षण, तनाव, गुरुत्व या अभिलंब बल।

निम्नतम बिंदु पर बल

केंद्र की ओर (ऊपर) धनात्मक है।

T − m·g = m·v²/r

T = 1.9·9.81 + 1.9·8²/1.1 = 18.64 + 110.5 = 129.2 N

उत्तर

T = 129.2 N

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 24.09 m

कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।

मूल इकाइयों में चाल

v = 70/3.6 = 19.44 m/s

ऊर्जा संतुलन

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19.44²/(2·0.8·9.81) = 24.09 m

उत्तर

d = 24.09 m

चाल दोगुनी करने से रुकने की दूरी चार गुना हो जाती है।

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 1.09 m

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 12 cm = 0.12 m

½kx² = ½·1000·0.12² = 7.2 J

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

m·g = 1·9.81 = 9.81 N

½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)

d = 7.2/(9.81·(0.5 + 0.2·0.866)) = 1.09 m

उत्तर

d = 1.09 m

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 4.5 m/s

संवेग संरक्षण: जब टक्कर के दौरान कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता, तो पहले का कुल संवेग Σm·v बाद के कुल संवेग के बराबर होता है। वेगों की दिशा होती है, इसलिए एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत दिशा के वेगों को ऋण चिह्न दें। प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है; पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड आपस में चिपक जाते हैं।

विरामावस्था वाले लक्ष्य से प्रत्यास्थ टक्कर

संवेग और ऊर्जा संरक्षण को साथ हल करने पर ये दो परिणाम मिलते हैं।

v′₁ = (1.5 − 2.5)/(1.5 + 2.5)·6 = −1.5 m/s

v′₂ = 2·1.5/(1.5 + 2.5)·6 = 4.5 m/s

उत्तर

v′₂ = 4.5 m/s

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: F_avg = 780 N

संवेग में परिवर्तन

J = m·Δv = 0.5·(13 + 26) = 19.5 N·s

औसत बल

F_avg = J/Δt = 19.5/0.025 = 780 N

उत्तर

F_avg = 780 N

13.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: L = 2.09 m

सरल आवर्त गति: k कठोरता वाले स्प्रिंग पर द्रव्यमान m कोणीय आवृत्ति ω = √(k/m) और आवर्तकाल T = 2π/ω = 2π·√(m/k) से दोलन करता है। L लंबाई वाले सरल लोलक के लिए T = 2π·√(L/g)। आयाम A के साथ अधिकतम चाल A·ω, अधिकतम त्वरण A·ω² और ऊर्जा ½·k·A² होती है।

लंबाई के लिए हल करें

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.9/2π)² = 2.09 m

उत्तर

L = 2.09 m

14.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: a_max = 12.9 m/s²

कोणीय आवृत्ति

ω = √(430/4) = 10.37 rad/s

अधिकतम त्वरण

a_max = A·ω² = 0.12·10.37² = 12.9 m/s²

उत्तर

a_max = 12.9 m/s²

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: β = 71.02 dB

तरंगें: आवर्ती तरंग एक आवर्तकाल में एक तरंगदैर्ध्य चलती है, इसलिए v = fλ, जहाँ T = 1/f। तनी हुई डोरी पर v = √(T/μ), जहाँ T तनाव और μ = m/L प्रति मीटर द्रव्यमान है। 20 °C पर वायु में ध्वनि लगभग 343 m/s से चलती है, निर्वात में प्रकाश c = 3.00 × 10⁸ m/s से। प्रबलता लघुगणकीय पैमाने पर मापी जाती है: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, जहाँ I₀ = 10⁻¹² W/m², इसलिए तीव्रता 10 गुनी होने पर 10 dB जुड़ता है। बिंदु स्रोत अपनी शक्ति P को गोले पर फैलाता है: I = P/(4πr²)।

कुल तीव्रता

I = 4·I₁

स्तर

β = 65 + 10·log₁₀(4) = 71.02 dB

उत्तर

β = 71.02 dB

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: λ = 449.3 nm

व्यतिकरण और विवर्तन: दूरी d पर स्थित दो झिरियों से आया प्रकाश परदे के किसी बिंदु पर पथांतर d·sin θ के साथ पहुँचता है। दीप्त फ्रिंज वहाँ बनते हैं जहाँ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …)। दूरी L ≫ d पर स्थित परदे के लिए m-वाँ दीप्त फ्रिंज y = mλL/d पर होता है और फ्रिंज अंतराल Δy = λL/d है। प्रति मिलीमीटर N रेखाओं वाली झरझरी का d = 1/N होता है और d·sin θ = mλ पर तीक्ष्ण उच्चिष्ठ होते हैं; चूँकि sin θ ≤ 1, उच्चतम कोटि सबसे बड़ा पूर्णांक m ≤ d/λ है। चौड़ाई a की एकल झिरी में a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, … पर अदीप्त फ्रिंज होते हैं।

तरंगदैर्ध्य

λ = d·sin θ/m = 2 × 10⁻⁶·sin 26.7°/2 = 449.3 nm

उत्तर

λ = 449.3 nm

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